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如何實現電動汽車電源控制和遙測?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年04月01日  

如今的汽車正處于徹底變成電子系統的交界點,最大限度減少了機械系統的采用,正在成為人們生活中最大、最昂貴的數字化工具。由于可用性和環保原因,以及提高內燃型、混合動力型和全電動型汽車行車安全的需求,市場逐步減少了對汽油的依賴,這正是數字化轉變的驅動力。


就電動型汽車而言,想要司機心里更踏實,能否實時、準確監控汽車的功耗是關鍵。


監視和控制功耗的幾種方法


要監視電子系統的功耗,就需要連續測量電流和電壓。電壓可以直接用模數轉換器(ADC)測量。如果ADC輸入范圍小于所監視的電壓,那么也許需要一個電阻分壓器(圖1)。


圖1:測量電源軌上的輸入電壓和負載電流(檢測電壓)


為了測量電流,需要在電源通路中放置一個檢測電阻器,再測量其壓降。如圖1所示,跨導放大器將高壓側檢測電壓轉換成電流輸出,該電流流經增益設定電阻器,以產生一個以地為基準并與負載電流成比例以及適合饋送給ADC的電壓。


為了最大限度降低功耗,全標度檢測電壓限制為幾十毫伏。因此,放大器輸入失調需要低于100V。


為了計算功率,必須使用通過ADC數字接口訪問ADC數據的微控制器或處理器,以實現電壓讀數和電流讀數相乘。要監視能耗,需要在一定時間內累計(相加)功率讀數。


為了開關電源,一般在汽車電路中會使用機電繼電器。


為了節省空間,會用N溝道和P溝道MOSFET等固態開關取代繼電器,從而產生所有組件都在同一塊電路板上、可以統一采用再流焊工藝組裝的PCB設計。P溝道MOSFET通過拉低其柵極電平而接通,通過將柵極連接至輸入電壓而斷開。與N溝道MOSFET相比,P溝道MOSFET在導通電阻相同時成本更高,而且其選擇范圍很窄,限于較大電流值(高于10A)情況。N溝道MOSFET是應對大電流的最佳選擇,但是需要充電泵,以提高柵極電壓,使其高于輸入電壓。例如,12V輸入需要22V柵極電壓,即MOSFET柵極要高出輸入10V。圖2顯示了一個電源開關電路的實現。


圖2:用N溝道MOSFET實現電源軌的接通/斷開


常見的電源總線也需要針對短路和過載故障提供保護,這類故障可能在任何板卡或模塊中出現。為了實現電路斷路器功能,可以比較圖1中放大器的輸出和一個過流門限,以斷開圖2中的柵極驅動器。這種方案取代了保險絲,因為保險絲反應速度慢、容限太寬且熔斷后需要更換。為了節省電路板空間,人們希望在開關、保護和監視汽車電源總線中的功率流動時,采用集成式解決方案。


集成式電源控制與遙測解決方案


LTC4282是一款可熱插拔的控制器和電路斷路器,提供能量遙測功能和EEPROM(圖3),憑借創新性雙電流通路特色,滿足了大電流應用的需求。該控制器通過控制外部N溝道MOSFET,可平滑地給大容量電容器加電,從而避免出現輸入電源干擾以及電流達到破壞性水平,因此可確保電源在2.9V至33V范圍內安全接通和斷開。LTC4282位于通往電路板電源的入口,其準確度為0.7%的12位或16位ADC通過一個I2C/SMBus數字接口報告電路板電壓、電流、功率和能耗。內部EEPROM為寄存器設置和故障記錄數據提供非易失性存儲,從而可在開發過程中及現場運行時,加速調試和故障分析。


圖3:具功率/能量遙測功能和EEPROM的LTC4282電路斷路器


LTC4282具準確度為2%的電流限制電路斷路器,最大限度減少了過流設計,這在大功率時更加重要。在出現過流情況時,LTC4282折返電流限制,以在可調超時時間內保持恒定MOSFET功耗。定時器到了定時時間后,電路斷路器斷開故障模塊和公用電源總線的連接。空閑模塊也可以斷開與電源總線的連接以節省功率。能夠以數字方式配置的電路斷路器門限允許隨負載變化進行動態調節,方便了小電阻值檢測電阻器的選擇。所監視電氣參數的最小值和最大值都記錄下來,當超過8位可調門限時,就發出警示信號。為了防止給電路板造成災難性損壞,這些MOSFET受到連續監視,以發現異常情況,例如低柵極電壓和漏-源短路或大的壓差。


SOA共享路徑


雖然LTC4282控制單個電源,可是它為負載電流提供了兩條平行的電流限制路徑。采用傳統單路控制器的大電流電路板使用多個并聯的MOSFET以降低導通電阻,但是所有這些MOSFET都需要具有大的安全工作區(SOA)以安然承受過流故障,這是因為不能假設并聯的MOSFET在電流限制期間分擔電流。


另外,MOSFET的選擇范圍在較高的電流水平上變窄,價格走高,而且SOA的水平跟不上RDS(ON)的下降。通過把電流分離到兩條精準匹配的電流限制路徑之中,LTC4282可確保兩組MOSFET即使在過載情況下也將均分電流。對于100A應用,每條路徑的設計電流限值為50A,因而把SOA要求減低了一半,拓寬了MOSFET的選擇范圍,并降低了其成本。這被稱為一種匹配或并聯配置,因為兩條路徑是采用相似的MOSFET和檢測電阻器設計的。


此外,LTC4282的雙電流路徑還用于使MOSFETSOA要求與導通電阻脫鉤。大的SOA對于啟動浪涌、電流限制和輸入電壓階躍等具有巨大應力的情況是很重要的。當MOSFET柵極完全接通時,低的導通電阻可降低正常操作期間的電壓降和功率損耗。不過,這些是存在沖突的要求,因為MOSFETSOA通常隨著導通電阻的改善而變差。LTC4282允許采用一條具有一個能處理應力情況之MOSFET的路徑,和另一條具有低導通電阻MOSFET的路徑。這被稱為一種分級起動配置。


一般來說,在啟動、電流限制和輸入電壓階躍期間應力處理路徑接通,而RDS(ON)路徑則保持關斷。RDS(ON)路徑在正常操作過程中接通以旁路應力路徑,為負載電流提供一條低導通電阻路徑,從而減少電壓降和功率損耗。視啟動時MOSFET應力大小的不同,有兩種分級起動配置,即低應力(圖4)和高應力。


圖4a:低應力分級起動配置可為50A的應用提供最低的成本


圖4b:利用低應力分級起動配置實現啟動:GATE1首先接通以對輸出進行涓流充電(具有一個2A的低浪涌電流水平)。GATE2在SOURCE(輸出)變至高于電源良好門限時接通。


高應力分級起動配置推薦用于50A以下的應用電流水平,而并聯和低應力分級起動配置則推薦用于50A以上的應用。與單路徑設計相比,最低的MOSFET成本由低應力分級起動配置提供,代價是在瞬變情況下不間斷運行的能力受限,而且不能利用負載電流完成啟動。并聯和高應力分級起動配置可啟動一個負載并提供計時周期較長的故障定時器,可在持續時間較長的過載條件和輸入電壓階躍情況下不間斷地運行。


結論


在過去20年,在動力轉向、ABS剎車、便利性、行車安全、娛樂等功能的驅動下,汽車中采用的電子系統一直在快速增加。隨著汽車向全面互聯和完全自主行駛的方向發展,電子系統的增加還會加速,這增大了對珍貴的電池功率的需求。仔細的功耗監視加上關閉空閑系統有望提高電池使用效率。通過提供電路板級電氣數據,LTC4282電路斷路器減輕了測量每個子系統的功率和能耗的負擔,因此減輕了整個車輛功率和能耗的測量負擔。憑借其新穎和能夠以多種方式配置的雙電流通路,LTC4282極大地方便了大電流千瓦級電路板的設計,允許在同一設計中既提供很大的SOA,又提供很小的導通電阻。


本文轉載自亞德諾半導體。


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